高周波電子銃用セシウムテルライドフォトカソードの研究
杉山,A)

陽栄 1
奥見史生 、木村B)

公路

正治 、和田

桑原B)

、古田
B)

真人 、山本B)

尚人

健一、山本B)A)、小早川将博、浪花B)

久A)

、西谷
B)

健一 、渡辺

A)

、高嶋

圭史

B)

、宮本

延春 、A)、守屋

健太

智博
修、中西B)

彊 、B)

A)

A)

名古屋大学大学院工学研究科〒464‑8603 名古屋市千種区不老町
B)

名古屋大学大学院理学研究科〒464‑8602 名古屋市千種区不老町

概要

２．光電流測定と成膜装置

1076

高周波電子銃用セシウムテルライドフォトカ
ソードの量子効率の偏光特性と膜厚特性について
図 １ に 装 置の概略を示す。真空度は10 ‑10Torr程研究を行った。セシウムテルライドの量子効率は、度である。この装置はセシウムテルライドを真空P偏 光 照 射 時 は S偏光照射時を上回り、P偏光で入蒸着後、大気に取り出すことなく光電流値の測定
射 角 度 が 60度のとき最大値を取る。量子効率(QE)
を 行 う こ と が で き る 。 電 流 値 測 定 の 分 解 能 は 1pAと 反 射 率 (R)の 関 係 を QE∝1-Rと仮定し、量子効率である。光源はキセノンランプ用い、回折格子にの測定結果からセシウムテルライドの光学定数より単色化した紫外光を取り出し、合成石英窓を（屈折率、減衰係数）を見積もった。量子効率の通してカソード表面に照射する。チェンバーから膜厚依存性測定においても同様の関係を仮定する
絶 縁 し た 基 板 に ‑100V 印加することでカソードとことにより、セシウムテルライドの最適膜厚に関している。カソード基板は回転導入器により回転する考察を行った。
できる。カソード面を回転させることで、光の入射角度を任意に選ぶことができ、偏光に対する入１．はじめに射角度を変えての測定を可能にしている。量子効率 は 光の強度と光電流値より算出する。光の強度
セシウムテルライドは高周波電子銃の半導体測定はシリコンフォトダイオードを用いた。
フ ォ ト カソードとしてCERNやLos Alamosにおける実験で使用されており、高い量子効率と安定した
turning manipula tor
t urning manipulator
寿 命 を 持 つ こ と が 示 さ れ て い る [1][2]。我々の研究に お い て も 、 照 射 光 波 長 250nmに対して量子効率が 10-1 程 度 で あ る 。 こ れ は 同 じ 波 長 に 対 す る の 銅
フ ォ ト カ ソ ー ド の 量 子 効 率 が10-4程度であったの
insulator(ceramics)
insulator(ceramics)に 比 べ 3桁 高 い 。 ま た セ シ ウ ム テ ル ラ イ ド は 基 板
Te, Csが結晶である必要がなく、真空蒸着による成膜もsource
容易に行うことができる。このようにセシウムテ
sampl eviewi ng port
ルライドは高周波電子銃用のフォトカソードとしN.I.G
base(quartz)(cathode)て優れた性質を持っている。
sampl eセ シ ウ ム テ ル ラ イ ドの高い量子効率を効果的にbase(cat hode)使用するためには、偏光している照射光に対するion pump
量子効率や、量子効率の膜厚がどのように影響しinsulat orion pumpているかを知っておく必要がある。このために量(ceramics)
子効率の偏光依存性と膜厚依存性の測定を行った。
1 015
41 8
照射光に対するカソード表面の反射率(R)と量子効 率(QE)の間にQE∝1-Rの関係を仮定すると、偏光
図１：実験装置の概要
依存性の測定結果より、セシウムテルライドの光
セ シ ウ ム テ ル ラ イ ド の 成 膜 は 、 600度のヒート学定数を見積もることができる。この仮定と、そクリーニングを終えた基板上に、テルル、セシウこから導かれる光学定数を用いてセシウムテルラムの順に蒸着する。蒸着温度は室温である。基板イドの最適膜厚値の予測を行った。
材料はモリブデンを用いた。テルルは電熱線バスケット内の小片を熱し蒸散させる。テルル蒸着量
1E-mail: sugiyama@nsr.numse.nagoya-u.ac.jp

は 水 晶 振 動 子膜厚計で膜厚をモニターし制御している。セシウムの蒸着源はクロム化酸化物を用いている。セシウムの蒸着量はモニターしている光電流値によって制御する。

３．セシウムテルライドの量子効率3.1 直線偏光に対する量子効率
フォトカソード型高周波電子銃で通常運転時光源として使うのはレーザーである。レーザーはその 発 振 原 理 か ら偏光している。本研究ではランプを使用しているが、紫外域グラントムソンプリズムを用いて直線偏光を作りセシウムテルライドの量子効率の偏光依存性を調べた。図２に光の波長が 250nm 時 の 測 定 結 果 を 示 す 。 光 の 入 射 角 度 は 正
面 か ら の 入 射 、 つ ま り 直 入 射 時 を 0度としている。
P 偏光照射時の量子効率はS偏照射時を常に上回る。
ま た P 偏 光 照 射 時 の 量子効率の最大値は入射光角度が60度のときである。

た も の と 、 反 射 率 (R) と絶対値を合わせるための
適 当 な 係 数 (f)を用いたf×(1‑R)を比較したものを示す。銅の反射率はフレネルの反射公式より算出した。フレネルの反射公式に代入する光学定数はHandbook of Optical Constant[3]の値を用いた。図４が 示 す よ う に 、 量 子 効 率 (QE)と反射率(R)はQE∝(1‑R)の関係が成り立つと言える。

10‑1

Q.E. of Cs̲Te at 250nm
10‑202040thickness (nm)p‑polarized lights‑polarized light

0.180.16

図３：セシウムテルライドの量子効率膜厚依存性：縦軸は量子効率、横軸は膜厚である。膜厚は成膜時のテルルの膜厚である。

0.140.120.1
入射角度

0.08

光

×10‑3
p‑p ola riz ed l igh t
s‑p ola riz ed l igh t

0.06
0.2

0.04
0.02
0Q.E. of Cs̲Te‑50050
incident angle (degree)

図２：偏光に対するセシウムテルライドの量 子 効 率 ： ● は P偏 光 、 〇 は S偏光に対する量子効率。光の入射角度は正面入射つまり直入射時を0度とした。

3.1 量子効率の膜厚依存性
セシウムテルライドの量子効率は、セシウムテ
ル ラ イ ド 薄 膜 の 膜 厚 に も 依 存 す る 。 図 ３ に 250nmの光に対するセシウムテルライドの量子効率の膜厚依存性測定結果を示す。ここで示す膜厚は成膜時に測定したテルルの膜厚である。量子効率の最大 値 は 膜 厚 が 10nmのときである。10nmを超える膜厚については、量子効率が悪化する。

4． 考 察 ： 量 子 効 率 と 反 射 率
4.1 量子効率と反射率
反射率は一般に光の偏光状態と入射角度により異なる。図４に、銅の量子効率の偏光特性を測っf * (1 ‑ R)

0.15
0.10.05

Q.E. of Cu
0‑50050incident angle (degree)

図４：偏光に対する銅の量子効率と反射率の関係：●〇は測定した量子効率、実線は反 射 率 （ R） と 係 数 （ f）を用いたf×(1-R)を示す。

4.2 セシウムテルライドの光学定数
QE∝ (1‑R) の 関 係 を 仮 定 し セシウムテルライドの光学定数の見積もりを試みた。セシウムテルラ
イドの光学定数をフリーパラメータとしたフレネ
ルの反射公式を使う。P偏光時の反射率をRp、S偏光 時 の 反 射 率 を Rs 、セシウムテルライドのP偏光時 の 量 子 効 率 を QEp、S偏光時の量子効率をQEsと表す。量子効率と反射率は絶対値が異なるので、
絶 対 値 が 相 殺 で き る QEs/QEp比を用い、Rs/Rp比でフィッティングを行った。基板に使用したモリブ

デンの光学定数はHandbook of Optical Constant[3]の値 を 用 い た 。 図５に示すように薄膜の干渉が考えられるため、多層膜の反射公式を使った。フィット の 結 果 、 照 射 光 の 波 長 250nmにおける光学定数は n=3.3、 k=0.98程 度 と 見 積 も る こ と が で き た 。 図６にフィットの結果を示す。

5 ．まとめinc id en tl ig ht

reflection lightvacuumCs̲Ter ef ra ctionl ig ht

Mo baserefractionlight

図 ５ ： 真 空 と セ シ ウ ム テ ル ラ イド、セシウ
ムテルライドとモリブデン基板の二つの界面を持つ反射quantum efficiency of Cs̲Te0.180.16が 異 な る た め 1-Rは 適 当 な 係 数 fを用いノーマライズしている。図７が示すように、測定した最適膜厚 値 とf×(1-R)の最大値はそれぞれ10nm程度で一致する。最適膜厚値はf×(1-R)で見積もることができることを示すものである。

p‑ pol ariz ed lig ht
s‑ pol ariz ed lig ht
fi tte ds/p ratio

1.2ex p d ata
fi tte d10.140.120.8

0 .10.08

セシウムテルライドの量子効率偏光依存性測定の 結 果 、 照 射 光 の 入 射 角 度 を 0度から80度の範囲で 変 化 し た 場 合 、 P偏光照射時の量子効率はS偏光時 を 常 に 上 回 っ た 。 照 射 光 波 長 が 250nm時の量子
効 率 の 最 大 値 は 、 P偏光照射において光の入射角度が60度の場合であった。
セシウムテルライドの量子効率膜厚依存性測定の 結 果 、 照 射 光 波 長 が 250nm時の量子効率の最大値は膜厚が10nmのときであった。
セシウムテルライドの量子効率について、QE∝
1-Rの 関 係 を 仮 定 す る と 、 偏 光 依 存 性 の 測 定 よ り
照 射 光 波 長 が 250nmで の セ シ ウ ム テ ル ラ イ ド の 光
学 定 数 は n=3.33、k=0.98となった。さらに、この光学 定 数 を 用 い る こ と で 照 射 光 波 長 250nm時の最適膜 厚 値 が10nm程度であることを算出した。これは、実験で得られた量子効率の最大値を与える膜厚とほぼ同じ値であり、この計算方法により最適膜厚の予測が行える可能性があることを示した。

0.60.060.040.02
00.120.4‑500incident angle

50(degree)‑50050incident an gl e (degree)●0.1

Q.E. of Cs̲Te exp dataf * (1 ‑ R)

0.08

図６：フィットの結果：右図はフィットに使 っ た QEs/QEp で 実 線 が フ ィ ッ ト さ れ た
Rs/Rpである。

0.06
0.04

Cs̲Te quantum efficiency at 250nm

0.024.3

膜厚に対する考察

膜厚依存の測定の際、膜厚が増せば量子効率は頭を打ち一定になることを予想していた。実際は膜厚が10nmを越えるあたりで量子効率は落ちる。
ここでは量子効率と反射率の関係をQE∝(1-R)と仮定し、セシウムテルライドの量子効率が最大値を 取 る 最 適 膜 厚 つ い て 考 察 す る 。図７に250nmの光に対する量子効率の膜厚依存性の測定結果とf×(1-R)を 比 較 し た も の を 示す。セシウムテルライドの反射率には、偏光依存性測定結果より見積もった光学定数を使い、膜厚と照射光波長に依存する干渉を考慮している。量子効率と反射率は絶対値

01020304050607080 90 100
thickness(nm)図 ７ ： 照 射 光 波 長 250nmに対するセシウムテ
ルライドの量子効率の膜厚依存性測定結果とf×(1-R)の比較

参考文献[1] G.Suberlucq et al., CERN-PS-98-036-LP,1998[2] Steven H.Kong et al., LA -UR-94-2851,1994[3] E.D.Palik,Academic Press,Inc.1985